Metallic silicium (siliciummetaal), met name in zijn ultrahoge-zuivere vorm (silicium van elektronische kwaliteit, EG-SI), is de hoeksteen van de halfgeleiderindustrie. De unieke eigenschappen maken de productie van geavanceerde elektronische apparaten mogelijk. Hieronder staan de belangrijkste toepassingen:
1. Geïntegreerde circuits (ICS) en microchips
Rol:Silicium is het basismateriaal voor de productie van halfgeleiderwafels.
Proces:
Ultra-pure silicon (>99.99999999% of 9n zuiverheid) wordt omgezet inmonokristallijne silicium ingotsvia deCzochralski (CZ) procesofFloat Zone (FZ) -methode.
Ingots worden in dunne wafels gesneden (bijv. Diameter van 300 mm) voor IC -fabricage.
Belangrijke componenten:
Transistors:Siliciumwafels zijn gedoteerd met elementen zoals boor (P-type) of fosfor (n-type) om transistoren te creëren.
Microprocessors:Miljarden transistoren zijn geïntegreerd in chips voor computergebruik (bijv. CPU's, GPU's).
2. Power halfgeleiderapparaten
Op siliconen gebaseerde krachtapparaten:
Diodes, MOSFETS, IGBTS:Gebruikt in stroomelektronica voor energieconversie (bijv. Omvormers, motoraandrijvingen).
Thyristors:Controle krachtige toepassingen in industriële systemen.
Voordeel:Silicon's bandgap (1,1 eV) balanceert efficiëntie en kosten voor middelgrote spanningstoepassingen.
3. Geheugenchips
DRAM (dynamisch willekeurig toegankelijke geheugen):Slaat gegevens tijdelijk op met behulp van op silicium gebaseerde condensatoren en transistoren.
NAND Flash -geheugen:Niet-vluchtige opslag in SSD's, USB-schijven en mobiele apparaten.
Opkomende technologieën:
3d Nand:Stapelt siliciumlagen verticaal om de opslagdichtheid te vergroten.
4. Zonnecellen (fotovoltaïscheën)
Silicium van zonneplansen (SOG-SI):
Polykristallijne of monokristallijne siliciumwafels zetten zonlicht om in elektriciteit.
Efficiëntie: Monocrystalline silicon cells achieve >22% efficiëntie.
Proces:
Metallurgisch silicium wordt gezuiverd tot 6n -7n zuiverheid en vervolgens gekristalliseerd in ingots en in zonnecellen gesneden.
5. Sensoren en MEMS
Micro -elektromechanische systemen (MEMS):
De mechanische stabiliteit en compatibiliteit van silicium met IC -processen maakt geminiaturiseerde sensoren mogelijk (bijv. Accelerometers, gyroscopen).
Optische sensoren:Silicium fotodioden detecteren licht in camera's en lidar -systemen.
6. Opto -elektronica
Light-emitting diodes (LED's):Siliconensubstraten worden gebruikt voor sommige infrarood LED's.
Fotodetectors:Op siliconen gebaseerde apparaten detecteren licht in glasvezelcommunicatie.
7. Wafer Fabrication Technologies
Lithografie:Siliciumwafels hebben een patroon met behulp van UV- of EUV-licht om circuits op nanometerschaal te creëren.
Etsen en afzetting:Siliciumdioxide (SIO₂) en siliciumnitride (SI₃N₄) lagen worden gebruikt als isolatoren of maskers.
8. Geavanceerde verpakkingen
Door-silicon vias (TSVS):Schakel 3D-chipstapels in voor high-performance computing.
Siliconen interposers:Verbind meerdere chips in geavanceerde verpakkingen (bijv. AMD's Ryzen -processors).
Belangrijkste eigenschappen die het gebruik van halfgeleiders aansturen
Halfgeleidendheid:Doping silicium regelt zijn elektrische gedrag (p-type/n-type).
Thermische stabiliteit:Bestand tegen verwerking op hoge temperatuur (bijv. Oxidatie, diffusie).
Kristalstructuur:Diamond kubisch rooster maakt precieze engineering op atoomniveau mogelijk.
Overvloed:Silicium is het op een na meest overvloedige element in de korst van de aarde, wat zorgt voor kosteneffectiviteit.
Uitdagingen en innovaties
Zuiverheidseisen:Het verwijderen van boor (B) en fosfor (P) naar sub-PPB-niveaus is van cruciaal belang voor de betrouwbaarheid van het apparaat.
Miniaturisatie:Extreme ultraviolette (EUV) lithografie duwt siliciumwaferverwerking naar 2nm knooppunten.
Alternatieve materialen:Terwijl silicium domineert, zijn verbindingen zoalsGanEnSicworden gebruikt voor hoogfrequente/krachtige niches.
